X射线计算机断层扫描技术优化土壤优先流模型：基于宏孔隙-基质界面水分交换的动态模拟

为解决传统土壤优先流模型中参数校准不准确的问题，法国研究团队通过X射线计算机断层扫描(CT)量化宏孔隙网络特征，提出新型伪二维水分交换项(KDW-RichHor)。该模型结合水平Richards方程与运动弥散波理论(KDW)，显著提升了水分存储与排水动态的模拟精度，为污染物迁移研究提供新工具。

　　

土壤中水分和污染物的快速迁移主要通过直径数百微米至数毫米的宏孔隙网络完成，这种优先流(preferential flow)能绕过大部分土壤基质。然而传统一维双渗透模型(dual-permeability model)存在明显缺陷：其基于平均基质水势的交换项无法反映水分在基质中的水平空间异质性，导致参数校准值(如宏孔隙间距d)常偏离实测值3-10倍。这种偏差可能源于模型未考虑宏孔隙壁面涂层的导水性差异或水分横向扩散的动态过程。

法国国家农业食品与环境研究院(INRAE)团队在《Journal of Hydrology》发表研究，创新性地将X射线计算机断层扫描(X-ray CT)与建模相结合。通过时间序列三维成像定量宏孔隙网络特征，构建了考虑水平水分再分布的伪二维交换项KDW-RichHor模型。该模型将交换量定义为润湿界面面积(A_exch)与水平Richards方程计算通量的乘积，其中A_exch通过CT图像中水相体积累积曲线(θ_ma)的幂函数关系确定。

关键技术包括：(1)采用医用CT扫描仪获取土壤柱降雨实验的时滞三维图像，分辨率400μm；(2)基于Hounsfield单位(HU)阈值分割宏孔隙网络与水分分布；(3)通过Voronoi图计算宏孔隙平均半间距d；(4)建立运动弥散波方程(KDW)与垂直/水平Richards方程的耦合算法；(5)使用DREAMzs算法校准运动系数b和弥散系数ν。

3.1 宏孔隙网络表征
CT图像显示，渗透性宏孔隙仅占总宏孔隙体积的57%。在初始干燥状态(DS)下，黏土质土壤因收缩使总孔隙率增加15%。通过幂律关系A_exch=γθ_ma^β拟合发现，润湿界面扩展系数β在0.5-1之间，对应运动指数a=3-2β为1.1-2.0，反映"溪流状"水流特征。

3.2 模型性能验证
相比传统模型KDW-RichS，新模型对干燥土壤的储水曲线拟合误差降低82%。统计指标显示，其均方偏差(MSD)的改善主要源于加权缺相关值(LCS)下降，证明能更好捕捉动态波动。在田间持水量(FC)条件下，因基质近饱和，两模型性能相当。

3.3 参数敏感性分析
水平Richards方程计算的交换通量呈现t^-1/2时间衰减规律，与Philip入渗理论一致。当润湿界面扩展激活新水平剖面时，通量会出现脉冲式增长。校准获得的弥散系数ν对模型影响较弱，验证了KDW方程对该参数的弱敏感性。

4.3 参数获取方法
研究证实板状几何假设的合理性：通过γ_slab=(1-θ_ma,max)/dθ_ma,max^β计算的缩放因子与CT实测值吻合。这为结合生物扰动模型预测长期孔隙演化提供了可能。

该研究突破性地实现了五个模型参数(θ_ma,max、d、β、γ、a)的物理意义赋值，使宏孔隙间距等关键参数摆脱"可调参数"困境。所揭示的交换通量动态规律(快速达到峰值后衰减)为污染物界面滞留研究奠定基础。未来通过建立β值与降雨强度、初始含水量的普适关系，可进一步提升模型在流域尺度应用的可靠性。CT技术与过程模型的深度耦合范式，为土壤多相流研究提供了新方法论。